为什么要进行内存管理？

（1）仓库管理
对于仓库来说，如果没有合理地管理，随意的乱堆乱放，大量的空间会因为无法被充分利用而浪费，但如果对仓库空间进行合理的规划和分配，物体移走后也进行及时的回收和零碎空间整理，仓库的存储能力就会被最大化利用。
内存也是一个仓库，只不过内存这个仓库使用来存储各种数据的，仓库需要管理才能被最大化的利用，内存也是一样的道理。

（2）内存管理
（a）内存管理的道理与仓库管理同，也必须要对内存空间进行合理地规划和安排
（b）进程运行时，内存管理会负责为进程分配合理的内存空间，并管理好使用的空间
（c）进程终止后，内存管理会及时回收并整理内存空间。

(3）虚拟内存机制
为了更好的进行内存管理，OS的内存管理会提供一个虚拟内存机制，这个虚拟内存机制是驾在物理内存之上的，实现的是一个内存管理机制，通过这个管理机制合理地管理内存，为每一个进程提供最好的内存空间的管理，因此内存管理
这一小节的重点是介绍 “虚拟内存机制”。
我们在前面也说过，所有的现代操作系统，不管是服务器上的大型操作系统，还是PC、平板、移动设备上的中小型操作系统，都有虚拟内存这个东西，虚拟内存对应现在操作系统来说，是一个非常重要的机制，因此有必要了解虚拟内存机制的实现原理。
　　
（2）程序被加载运行
为了介绍清楚为什么需要虚拟内存机制，以及虚拟内存实现的大致原理，暂且不直接讲虚拟内存的内容，我们先从程序的加载运行说起，再来引出“虚拟内存机制”。
所有的操作系统都有内存管理，但是不是所有的系统都有虚拟内存机制，有虚拟内存机制的OS，内存管理基于虚拟内存实现。

裸机程序的加载运行

（没有运行在操作系统上的程序）
（a）编译链接后，得到机器指令程序
（b）程序直接被加载到物理内存上。
（c）cpu执行指令，程序被运行
首先Pc这个寄存器中存放第一条指令在内存中的地址，cpu控制器按照这个地址从对应的内存单元取出指令，CPU执行指令，然后地址+1取出第二条指令，整个程序得以运行，运行起来后的程序就演变为了进程。
图：

文字编码程序，编译得到机器指令程序，在磁盘上，加载运行的时候，把机器指令程序全部复制到物理内存中，然后CPU通过取物理地址去运行的
直接从磁盘加载到物理内存上
CPU通过三大总线，因为指令在内存中是以电信号的形式存在的，CPU得到这个电信号以后，按照电信号的二进制数据，执行，比如说做加减运算之类的，按指令要求计算，PC地址加1就得到第二条指令的地址，然后通过这个地址去取第二条指令，整个程序就运行起来，当把最后一条指令运行完毕，程序结束

（d）加载运行裸机程序的特点
· 没有OS参与，只运行一个程序，是单进程的
· 物理内存远比程序大，程序的加载都很简单
· 直接使用真实的物理地址（也是电信号）访问内存
· 早期的没有OS的计算机，以及现在的计算机资源较少的单片机还在运行裸机程序
在裸机情况下，由于程序的运行非常的简单，因此根本不需要什么内存管理，也没有OS来体用内存管理的机制。
（e）对于现在常规的计算能力稍强的计算机来说，都需会运行操作系统

DOS系统下的程序加载运行

随着计算机的发展，后来出现了DOS操作系统，有了DOS操作系统后，在一台计算机上就可以同时运行很多个程序（进程）。
在DOS系统下，我们可以将很多个的程序全部都加载到物理内存中，通过快速的时间片切换，cpu轮换着执行不同程序的指令，是的众多进程可以被并发运行。
图：
（命令行界面，不能通过鼠标来操作电脑）


把机器指令代码全部复制到物理内存中
从000001物理地址开始，在PC计数器存储，通过三条总线进行获取指令
（a）特点
· 每个程序代码必须要全部加载到物理内存中
· CPU运行某个程序时，还是直接使用物理地址访问物理内存中的程序指令
· 经过OS调度器的调度，通过时间片的切换，CPU轮流着执行不同进程的指令，从而实现进程的并发运行。
CPU通过PC计数器的地址+1，不断获取下一个指令的地址，不断执行下去
（b）DOS下程序加载运行面临的问题
· 问题1：程序变多了后，内存不够用
· 问题2：容易篡改别的程序的内容
　　
由于是使用物理地址来访问内存空间的，如果程序员写程序时疏忽了，使用了错误的地址，而该地址恰好是其它程序在内存空间的地址，程序员非常容易把别人空间的数据被容给改写了。
人是非常容易犯错误的，你让程序员小心注意不要乱写，这是解决不了问题，必须要靠一种严密的机制来预防这种错误，只要机制靠谱，就算是程序员把地址写错了，机制会帮你预防这种错误。

（c）向DOS引入内存管理机制———虚拟内存机制
为了预防程序员使用了错误地址修改了别的程序数据的情况，OS中引入了虚拟内存机制，使用这个机制就能有效的预防这样的情况发生。
虚拟内存机制的基本原理就是，在OS加入内存管理的软件管理代码，让这个虚拟内存机制去管理物理内存，从而营造出一个虚拟内存，但有了虚拟内存后就可以解决上述的两个问题：
1· 该机制使用硬盘空间弥补内存的不足，可以运行更多的程序

虚拟内存机制：非常聪明，不是把代码全部复制到物理内存机制中去，只是复制你当前要运行它的那部分代码，剩余的部分还是存放在磁盘中，复制进去的那部分运行完之后，把第二部分放进去运行，以此类推，不会把整个程序代码直接复制进去物理内存，这样就节省空间了！可以运行更多的进程了。（变向的使用硬盘来扩充内存的空间的不足）
2· 虚拟内存提供虚拟地址
Cpu取指令运行时，使用的是虚拟地址，只不过虚拟地址必须转为真实的物理地址才能访问物理内存。
使用程序员编程时因为操作的是虚拟地址，而不是物理地址，就算是你写错了，使用虚拟地址是不会改了别人空间的数据的。
CPU使用的虚拟地址，要进行映射转换成物理地址，去取指令。

至于“虚拟内存”机制是如何实现以上两点的，在下一小节里面会详细介绍。

虚拟内存

（1）虚拟内存的基本原理

（a）原理图
图：

（b）图形解释
编译链接时
-在编译链接程序时，程序代码会被安排虚拟地址，也就是假地址，说白了就是一些编号，并不代表任何真实的存储空间
-所有程序再被编译时，被安排的虚拟地址都是相同的
-程序员编写程序时，都是使用虚拟地址来操作空间的

·程序加载时
是由操作系统（有一个父进程）来加载的

• 程序会被分成了很多的部分，每部分的大小一般为4k（4*1024）左右
• 加载时，仅加载当前要运行某几个部分，因为不会将所有的程序都加载到内存中，节省了内存空间，因此内存中可以加载非常多的程序。
• 加载后，马上建立一张映射表标记当前部分在内存里面还是在外存上，建立虚拟地址和真实的物理地址间的对应关系（这张表在操作系统中是以代码形式表现的）
  
  -CPU取指运行
  调度器根据调度算法，调度到某个程序（进程）时，CPU才会对其进行取指执行（取指：取出指令）。
  通过虚拟地址取指CPU取指时，使用虚拟地址取指令，此时需要查找映射表，查找发现如果指令所在part在物理内存中，通过地址对应关系，得到part物理内存地址，然后使用这个地址到物理内存找到该指令
  如果part在外存上，通过地址对应关系得到part在外存上的地址，到外存上找到该part并加载到内存替换掉其它part，更新映射表，再将通过地址对应关系，得到内存中的物理地址，到物理内存中取出指令运行
  

·并发运行
当多个进程都被轮流调度，由CPU取指执行，每个进程执行一个自己的ms级时间片，在宏观上就是实现了进程的并发运行。
（c）为什么称为虚拟内存
虚拟内存是对CPU来说的。
CPU被欺骗了，它认为使用这个虚拟地址访问了某个内存，但是这个虚拟地址只是一个编号，这个虚拟地址对应的只是 一个虚拟的内存，实际上程序被分成两部分放在了内存上和外存上。
（d）虚拟内存机制为什么节省了内存
因为只加载了你要运行的那部分，其他的都在外存上，外存帮忙存了其他代码，相当于使用外存扩展了内存空间。
（e）虚拟内存机制为什么能够防止修改别人的程序空间
自己的虚拟地址只映射了自己的物理内存空间和外存空爱，就算是程序员把地址写错了，但是错的也只是虚拟地址，由于虚拟地址只映射了自己的空间，顶多也就把自己的空间给改了，不可能把别人的空间给改了。

（2）虚拟内存机制的具体实现

（a）将内存和程序分页
图：

高级语言编译后的机器指令程序，加载到磁盘上，磁盘是有地址的，从0开始，往上走，程序在编译之后，会被安排虚拟地址，可以从任何位置开始，反正是虚拟的，比如说，是从4k开始，1k是1024字节，虚拟地址如图中所示。vp1,vp2，，，是虚拟页，因为用的是虚拟地址，所以是虚拟页，所有的程序在被编译器编译后，都会被安排虚拟地址。因为是虚拟地址，所以程序被分为很多的虚拟页。每一页是4k大小。就是前面所述的part。
物理内存也被分成一页一页的，每一页大小是4k，也有地址，物理地址。
因为最后是要把程序加载到物理内存中去运行的，所以物理内存也是要分成一页一页的部分来适合程序的运行。

（b）加载程序，建立映射页表
图：

加载：把磁盘上的机器指令程序导到物理内存上去运行。只加载立马要运行的指令部分到物理内存上。其他的还留在磁盘上。
操作系统加载磁盘上程序的时候，需要一个进程协作辅助（父进程），把这个程序加载到物理内存上，这个程序就变成进程。那么这个程序运行起来变成进程，操作系统的虚拟内存管理机制会给这个程序创建一个页表。虚拟内存机制是管理机制。
父进程运行的过程中也有页表，加载出子进程，子进程从父进程复制页表，作为新的程序-子进程的页表，然后进行修改，得到新的内容的页表，就是当前进程的页表。

PTE1是虚拟页vp1的页号，PTE2是虚拟页vp2的页号…
是否加载：是否被加载到物理内存上，是就是1，不是就是0
物理内存上的vp1,vp2,vp3是从磁盘上vp1,vp2,vp3加载进去的。
所有在操作系统上运行的进程（程序），都有一张自己的页表，OS的虚拟内存机制就是使用每个进程的页表来管理这些虚拟页的。

（c）CPU通过“虚拟地址”取指并执行进程
图：

程序加载到物理内存上，程序是一页一页组成的，每一页放的就是指令，CPU取这些指令来执行，加法减法逻辑运算之类的，指挥整个计算机工作。
CPU有PC程序计数器这个东西，放的是当前要执行的指令的地址-虚拟地址，用虚拟地址去取指令的，但是程序是存储在磁盘和物理内存上的，虚拟地址只是个用来帮助管理的假的编号，不能去直接找指令。虚拟地址首先给MMU，MMU（内存管理单元）协助虚拟内存机制管理物理内存和磁盘的映射，虚拟内存就是虚拟地址对应的假内存，MMU得到这个虚拟地址后，就去查页表，用虚拟地址除以4k得到页号，
然后看是否加载这一栏对应的是1还是0，如果是1，就是在网络物理内存，然后看后面的那栏显示的所在物理内存的地址，然后去物理内存取指令给CPU执行，如果是否加载这一栏对应的是0，这页是在磁盘上，操作系统引发缺页异常，因为物理内存缺当前搜索的这页，把当前页对应的磁盘上的指令加载到物理内存上，放在空页上，或者把以前的不活跃的页干掉，然后替换，然后更新映射页表，然后CPU重新取指令，还是使用虚拟地址，除以4k得到页号，然后去页表查，发现是1，在物理内存上，就通过这个物理地址从物理内存取指给CPU执行。

（d）缺页异常处理
图：

vp1在物理内存上被覆盖后，把映射页表的1改为0，地址改为在磁盘上的地址。

动态库的实现

动态库也叫共享库，核心是共享，动态库只能在有OS的计算技术使用，因为动态库的实现需要虚拟内存机制的支持，如果是裸机的话，是没有OS，没有OS就没有虚拟内存机制，在裸机上只能使用静态库。
OS: 动态库和静态库都可以，但是肯定是使用动态库划算
裸机上：只能使用静态库
为什么称为动态库？？？
静态库是在编译程序时就决定好了的，库代码已经被复制到了程序中，但是动态库不一样，程序使用这个动态库时，并没有将动态库代码复制到程序中，只是在程序中留下了一片空的虚拟地址作为接口，这些虚拟地址并不对应真实的指令。
当我们的程序被加载到内存中运行时，操作系统才会动态的去加载动态库，因为动态库时共享的，因此动态库也被称为共享库。
图：

CPU拿虚拟地址查页表，找到页号，发现是否加载是1，找到动态库虚拟页对应的物理内存的地址，去物理地址取指给CPU执行
动态库在物理内存中只有一份，但是每个程序都有自己的映射页表，如果有使用到动态库，会映射到同一份动态库的物理地址
动态库使用的内存相当于静态库来说节省非常大的空间！

程序中的动态库接口
程序中使用了动态库的话，编译程序时，会预留一片虚拟地址。
当程序运行起来后，这片虚拟地址会被映射到物理内存上的动态库，建立虚拟地址和动态库物理地址的对应关系。

进程间通信 之 共享内存

（a）进程间通信很困难
每个程序都是用虚拟地址操作的，各自的虚拟地址只映射自己的空间，程序之间没有交集，它们之间很难进行信息共享（通信）。
为了能够通信，设计了很多的通信机制，其中就有共享内存，共享内存的实现原理与动态库的实现原理是一样的。
（b）共享内存的原理
不同进程共享了同一片空间后，一个往里方数据，另一个从里面取数据，就实现了通信。
与共享动态库的区别仅仅是，共享动态库时，共享空间里面放的是动态库的指令，供不同进程共享执行。
而共享内存仅仅只是一片空的共享空间，只是是用来通信用的。
共享里面的代码和指令
两个进程用自己的一片虚拟地址专门去映射同一个物理内存空间。

总结

图：

多进程是如何共享供一个OS的：
图：

在安排虚拟地址的时候，还会多安排几个虚拟地址，这片虚拟地址不对应任何应用程序代码，是用来映射操作系统的，当加载程序的时候，会建立一张映射表，这片虚拟地址会映射到操作系统上。映射关系在映射表中。这片虚拟地址和已有的虚拟地址是连在一起的。
调用系统调用函数：
比如说，CPU通过100000这个虚拟地址（应用空间）去访问应用程序指令，虚拟地址最终被映射到物理地址，通过物理地址找到指令，在物理内存的part1取出指令给CPU执行，在执行的过程中，它发现还有调用操作系统提供的函数，这个函数的程序代码指令是放在操作系统这一块上的，它会通过从100000虚拟地址跳转到刚才所述的专门映射操作系统的空的虚拟地址上（内核空间），然后查找映射表，然后访问到操作系统空间所在的物理地址，取指运行，执行的就是系统调用函数的代码了。操作系统的内部代码都和虚拟地址建立了映射关系。（前提是操作系统已经加载到内存上去运行）

CPU被欺骗后的内存错觉：
图：

CPU使用虚拟的地址运行每一个进程，CPU被虚拟地址欺骗后，CPU人为每一个进程都有一个自己的内存，这个欺骗CPU假内存，就称为虚拟内存。
CPU认为整个程序（进程）运行在独立的虚拟内存上，因此虚拟内存空间，也被称为进程空间。
应用空间对应的虚拟地址：用于访问应用代码。
内核空间对应的虚拟地址：用于映射到OS上，当应用代码调用OS的系统函数时，就会使用内核空间的虚拟地址去访问OS。映射的是整个操作系统的内核。所有进程共享同一个操作系统。
多个进程调用系统函数不冲突，因为CPU只有1个，运行时不会发生冲突。
使用虚拟地址，不管是访问应用代码，还是访问OS，虚拟地址都需要被转成物理地址，到实际的物理内存中去访问应用代码或者OS的代码。
上面这张图可以简化为：
图：

虚拟内存就是通过虚拟内存机制，在物理内存和硬盘上，营造出来的一种假象，就像以前有个电影《私人订制》。
C语言程序可能运行在裸机上，也可能运行在虚拟内存上，C语言程序运行在OS上，那么一定是运行在虚拟内存上的。